Browsing by Author "Fehringer, Florian"

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Entwicklung eines schädigungsmechanisch basierten Grenzdehnungskonzeptes zur Quantifizierung der Tragfähigkeit von Kraftwerkskomponenten bei Störfallbelastungen
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2025) Fehringer, Florian; Seidenfuß, Michael (Prof. Dr.-Ing.)
Naturkatastrophen wie das Tōhoku-Erdbeben, in dessen Folge ein Tsunami schwerste Schäden am Kernkraftwerk Fukushima Daiichi hervorgerufen hat, zeigen die permanente Gefahr auslegungsüberschreitender Ereignisse. Die Wichtigkeit zuverlässiger Methoden zur Bewertung von Sicherheitsreserven technischer Komponenten bei solch auslegungsüberschreitenden Ereignissen kann daraus direkt abgeleitet werden. Heutige Regelwerke verwenden zur Festigkeitsbewertung fast ausschließlich spannungsbasierte Kriterien, welche plastische Verformungen nicht oder nur in sehr geringem Maße zulassen. Da viele der in den deutschen Kernkraftwerken eingesetzten Stähle jedoch ein hohes Verformungspotential aufweisen, bevor es zum lokalen Versagen kommt, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Grenzdehnungskonzept erarbeitet, welches eine Sicherheitsbewertung gegen lokales Versagen auf Basis auftretender plastischer Dehnungen vornimmt. Die Bewertung technischer Komponenten erfolgt im hier vorgeschlagenen Konzept unter Verwendung einer Grenzdehnungskurve, welche die zulässige akkumulierte plastische Vergleichsdehnung in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit und Lodewinkel angibt. Die mittels elastisch-plastischer Simulation ermittelten auftretenden plastischen Dehnungen während eines auslegungsüberschreitenden Ereignisses werden dieser Grenzdehnungskurve gegenübergestellt. Die Grenzdehnungskurve selbst wird auf Basis eines erweiterten Rousselier-Modells aus den werkstoffabhängigen Parametern direkt, ohne zusätzliche Finite-Element Rechnung, abgeleitet. Neben den genannten Einflüssen (Spannungsmehrachsigkeit und Lodewinkel) wurden auch die Einflüsse von Bauteilgröße, nicht-proportionaler Belastung und multipler Belastung auf die ertragbare Grenzdehnung untersucht. Das vorgeschlagene Grenzdehnungskonzept konnte erfolgreich auf zwei Rohrabzweige (integer und angerissen) unter einer kombinierten Innendruck- und in-plane Biegebeanspruchung angewendet werden. Das zur Bestimmung einer Grenzdehnungskurve benötigte schädigungsmechanische Rousselier-Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit in drei Bereichen erweitert. Um sowohl Verformungs- als auch Versagensvorgänge auch bei kleiner Spannungsmehrachsigkeit (schubdominierte Beanspruchungen) zuverlässig beschreiben zu können, wurden das Plastizitätsgesetz sowie das Hohlraumevolutionsgesetz erweitert. Hierfür wurde zum einen die von Mises Plastizität durch das allgemeine Fließkriterium nach Drucker ersetzt. Zum anderen wurde das Hohlraumevolutionsgesetz um den Ansatz nach Nielsen und Tvergaard (bzw. nach Nahshon und Hutchinson), ursprünglich entwickelt für das Gurson-Modell, erweitert und in das Rousselier-Modell implementiert. In beiden Fällen wird nun zusätzlich der Einfluss der dritten Invarianten des Spannungsdeviators (Lodewinkel) auf das Verformungs- bzw. auf das Versagensverhalten berücksichtigt. Als dritte Erweiterung wurden, zur Beschreibung multipler Belastungsvorgänge, kinematische Verfestigungsterme ergänzt. Für die numerische Implementierung des erweiterten Rousselier-Modells wurde ein neues Integrationsschema entwickelt. Durch das iterative Lösen eines Gleichungssystems mit acht Gleichungen können der Cauchy Spannungstensor, der plastische Dehnungstensor und die inneren Zustandsvariablen (akkumulierte plastische Vergleichsdehnung und Hohlraumvolumen) vollständig bestimmt werden. Die Integrationsmethodik ist unabhängig vom Rousselier-Modell und lässt sich auf jedes Werkstoffmodell, welches von I1, J2 and J3 abhängt, anwenden. Die genannten Erweiterungen des Rousselier-Modells werden durch ein umfangreiches Versuchsprogramm mit dem ferritischen Werkstoff 20MnMoNi5-5 ergänzt. Hierbei wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, unterteilt nach den Einflussfaktoren: Spannungsmehrachsigkeit, Lodewinkel, Bauteilgröße, nicht-proportionale Beanspruchung und multiple Beanspruchung. Die Versuche wurden außerdem dazu verwendet, die werkstoffabhängigen Parameter des erweiterten Rousselier-Modells anzupassen sowie das Modell zu validieren. Ausgewählte Proben wurden nach Versuchsende metallographisch untersucht, um den Einfluss der oben genannten Faktoren auf das Hohlraumwachstum zu bestimmen.